水槽水位控制系统(SP=1M)

《工控软件课程设计》说明书 水槽水位控制系统（ SP=1.0m）

学生学号： 0900102137 学生姓名： 何浩东 专业班级： 09自动化1 分 院： 机电工程学院 指导教师： 钟绍俊 起止日期： 2011.12.14～2011. 12.28

中国计量学院

China Jiliang University

I

《工控软件课程设计》任务书

第一章.课程设计的目的-----------------------------------------------------------------------------------------1 第二章.中国计量学院机电分院《工控软件课程设计》说明书----------------------------------------1

2.1设计目的------------------------------------------------------------------------------------------------2

2.2设计的基本内容---------------------------------------------------------------------------------------2

2.2.1设计题目---------------------------------------------------------------------------------------2 2.2.2设计的内容与要求---------------------------------------------------------------------------2 2.2.3设计任务分配---------------------------------------------------------------------------------3

2.3课程设计方式、地点---------------------------------------------------------------------------------2 2.4课程设计时间安排和学分---------------------------------------------------------------------------3 2.5考核办法与内容---------------------------------------------------------------------------------------3 2.6说明------------------------------------------------------------------------------------------------------3 2.7参考文献------------------------------------------------------------------------------------------------3 2.8联系方式------------------------------------------------------------------------------------------------3

II

《工控软件课程设计》设计任务书

一：课程设计的目的：

任务是通过该课程的学习，使学生掌握计算机辅助自动控制系统设计及仿真方法，培养工程观念，提高动手能力，为毕业设计等后续实践课程打好基础。

二、设计的基本内容 1、 设计题目

（1） 列管式换热器被加热水出口温度控制系统（SP=50℃） （2） 蛇管式换热器被加热水出口温度控制系统（SP=60℃） （3） 夹套式换热器被加热水出口温度控制系统（SP=70℃） （4） 套管式换热器被加热水出口温度控制系统（SP=80℃） （5） 离心泵出口水流量控制系统（SP=8m3/h,转速调节） （6） 贮槽入口水流量控制系统（SP=7m3/h） （7） 贮槽出口水流量控制系统（SP=6m3/h） （8） 水管水流量控制系统（SP=5m3/h） （9） 聚合反应釜釜顶压力控制系统（SP=2Mpa） （10）精馏塔塔顶压力控制系统（SP=1.5Mpa） （11）蒸发器内压控制系统（SP=1.8Mpa） （12）锅炉饱和蒸汽压力控制系统（SP=2.5Mpa） （13）水槽水位控制系统（SP=1m）

（14）锅炉汽包水位控制系统（SP=2m） （15）牛奶蒸发器料位控制系统（SP=0.8m） （16）牛奶蒸发器奶浓度控制系统（SP=50%） （17）糖液PH值控制系统（SP=7.8）

2、 设计的内容与要求

（1） 根据题目要求进行控制方案的确定, 控制流程图的绘制,现场设备选型，并编制自控

仪表规格表。

（2） 控制方案均采用单回路控制。

（3） 利用ForceControl(力控组态软件，版本3.62，www.sunwayland.com.cn)完成

III

控制系统软件组态，包括：建立实时数据库；绘制带控制点工艺流程图；包括数据采集、显示（界面动画等）、控制策略组态与仿真、报警组态、数据保存、历史数据查询、报表打印等功能。

（4） 撰写课程设计说明书

3、设计任务分配

每名同学一个题目，题目重复时，设定值改变。

三、课程设计方式、地点

讲座、设计

地点：仰仪南楼机房

09自动化1 501 09自动化2 505

四、课程设计时间安排和学分

1、时间安排： 2周(第五学期) 讲座、文献检索： 2天 设计： 5天 撰写报告： 2天 考核： 1天 2、学分： 2分

五、考核办法与内容

课程设计报告和设计成果结合考核。 课程设计报告内容包括：

目前发展状况，工艺过程，设计要求，控制方案, 控制流程图,现场设备选型，仪表接线图的绘制，控制方案确定，应用软件组态，系统仿真和结果分析，设计体会。

注：具体撰写格式参考《中国计量学院机电分院《工控软件》课程设计说明书规范》 成绩评定：根据设计说明书、成果（控制软件）演示、答辩情况评定成绩。

六、说明

本课程先修课程为：《过程基础》、《自动控制理论》、《检测技术》、《仪表及装置》、《工业应用软件》

七、参考文献

（1） 《监控组态软件及其应用》，马国华编著，清华大学出版社，2001.8 （2） 《工业组态软件实用技术》，龚运新 方立友编著，清华大学出版社，2005.9 （3） 《过程控制工程》，王骥程编著，化工出版社，2000.8 （4） 《过程控制系统工程设计》，周庆海、翁维勤，化学工业出版社，1991.8

IV

水槽水位控制系统说明书：

目录

一：目前发展状况--------------------------------------------------------------------------------------------5 二： 工艺过程-------------------------------------------------------------------------------------------------5 三：设计目的与要求-----------------------------------------------------------------------------------------5 四：控制方案的确定-----------------------------------------------------------------------------------------6 五：现场设备选型--------------------------------------------------------------------------------------------7 六：控制系统实施(组态) ---------------------------------------------------------------------------------12 七：心得体会-------------------------------------------------------------------------------------------------14 八：参考文献-------------------------------------------------------------------------------------------------15

V

水槽水位控制系统说明书

一．目前发展状况

该系统广泛应用于城市、农村、学校、工矿企事业单位及家庭的供水工程和排水工程，

亦适用于太阳能热水器、锅炉及有关循环用水的设备等水箱的水位自动控制及报警。

改革开放以来，我国的经济建设及小城镇建设迅猛发展，企业生产自动化程度大大提高，人们的生活水平迈入小康，对家庭用水质量的提高，尤其是对家庭生活的质量有着更高的要求，必然需求高品质、安全可靠性好的产品。因此，深入研究本课题，可满足人们对生产和生活中水位控制的高品位的要求，以实现无人值守和家庭优雅舒适生活的理想。

二．工艺过程

如图1所示，采用单元组合式控制仪表，一般包括控制单元，变送单元，执行单元，转换单元，运算单元，显示单元，给定单元和辅助单元，对于水槽水位控制系统如图1所示：

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图 1水槽水位控制系统

三、 设计目的与要求

对一个水槽水位进行控制，使水槽中水位最终保持为给定值sp=1.01m。

水槽水位控制系统是用来实现水槽水位实际测量值在稳态下维持在给定水位值的功能的控制系统。它要求在系统给定信号及扰动信号输入状态下，系统要做出快速响应，使水槽水位在短时间内回到系统的给定值，并且不引起系统振荡。由被控系统的控制过程为水位控制，且应用于小型生产控制工艺中，知被控过程的惯性不大，负荷与干扰相对稳定。由自动控制理论知单回路系统适合具有上述特征的控制过程，又有结构简单、投资少、易于调整和投运的特点，应用十分广泛。所以本系统结构可采用单回路控制系统。

四、控制方案的确定

水槽水位控制系统的控制任务是根据实际生产的需要控制水槽中的水位保持在给定值范围内。水槽系统有进口阀和出口阀，为了使水位保持稳定，我采用控制进口出的流水量，保证在出水口的出水量发生变化时（有扰动时），经过调节器的调节作用仍能恢复稳定。

对该系统采用单回路液位控制，液位变送器LD3188 对水槽中的水位进行实时检测，并将实测值变化成标准统一信号送给EKC210A（标准型）指示调节器（见图）。调节器将变送器送来的实测值跟给定值进行比较，得到偏差，并对该偏差进行PID运算及输出控制信号去操纵水液电磁阀ZCS6，阀门根据控制信号确定开度，从而控制进入水槽的水流量，即达到控制水位的要求。根据控制系统的方框图可以得到如图2所示：

图2带控制点工艺流程图

其中PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简结构改变灵活（PI、PD、?）。长期以来被广大科学技术人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。过去PID的调节规律完全由DDZ单元组合仪表完成。现在可以方便地由程序在微机上

实现，PID控制算法及其参数整定连续系统PID调节器为对误差的比例、积分和微分控制，即：

或

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式中：Ti、Td分别为积分和微分时间常数；Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数微分系数。在计算机控制系统中使用的是PID数字调节器，就是对式（1）离散化 ，令：

式中，T是采样周期。由式（1）与式（3）可得：

式（4）称为位置式PID控制算法。 在PID控制中，比例作用Kp加大将会减小稳态误差，提高系统的动态响应速度。积分控制可用来消除系统的稳态误差，因为只要存在偏差，它的积分所产生的信号总是用来消除稳态误差的，直到偏差为零，积分作用才停止。微分控制的作用，实质上是跟偏差的变化速度有关，并且能在偏差达到很大值以前，就产生控制作用。微分控制能够预测偏差，产生超 前的校正作用。因此，微分控制可以较好地改善动态性能。对于PID控制算法，在干扰信号输入后，首先比例微分起作用，产生一个强烈的“超前”控制作用，然后微分作用逐渐减弱消失，积分作用不断增强，直至静差完全消失。采用PID控制算法，无论从静态还是从动态角度，控制品质都得到改善。知道了PID控制算法的一般原理后，可对调节器参数进行实际整定。整定调节器参数的方法很多，归纳起来有两类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有对数频率特性法、根轨迹法等。这类整定方法要求已知过程的数学模型。由于工业过程特性往往比较复杂，不论理论推导或过程辩识（实验测定）所得的数学模型多属近似。由于理论计算的整定参数法计算烦琐，工作量大、可靠性不高，因此在现场使用中，尚需反复修正。但是，这样可以减少整定工作中的盲目性，较快整定到最优状态，尤其在较复杂的过程控制系统中，理论计算整定法更是必不可少，通常用于科研中，作方案比较。工程整定法有经验法、衰减曲线法、临界比例法和响应曲线法等。这类方法不需事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定。其方法简单，计算简便，易于掌握。这是一种近似方法，所整定的参数不一定最佳，却相当实用。在工程上得到了十分广泛地应用。对蒸发器料位控制系统这样一个实际系统，其调节的过程参数为料位，其被控过程的特点是无滞后性，调节器参数设计为：周期1~10S，比例带5%~50% ，积分作用少用，微分作用不用。

五、现场设备选型

现场设备的选取，是实现自动控制的一个重要环节，选择合适的现场设备才能让自动控制系统达到设计者的设计目标。使系统具备良好的快速性、准确性及稳定性。水槽水位控制系统包括给定量、液位传感器、执行器、调节阀、被控对象（水槽）五部分组成。 水槽水位控制系统的方框图如图3所示：

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图3水槽水位控制系统的方框图

系统的设备的特点和原理如下：

1、液位传感器：选用普通型投入式液位变送器LD3188，如图4

图4 液位变送器LD3188

LD3188是采用扩散硅力敏器件开发的普通投入式水位变送器。两道金属密封和两道胶圈密封坚固可靠，可保证长期浸泡在被测介质中不渗漏。它具有测量范围宽、测量精度高、体积小、安装方便并具有优异的性能价格比等特点。主要用于水库、供水池等到较纯净水罐的水位等参数的测量。

主要技术性能指标：

● 规格型号：LD3188122T1X1 ● 工作温区：0～70℃

● 温度附加误差：零点、灵敏度均小于0.02%/FS/℃ ● 零点迁移：±20%/FS ● 过载能力：基准量程的二倍 ● 防爆标志：本安型iaⅡBT6 ● 测量范围：0～2m ● 输出信号：4～20mA ● 测量精度：0.2

安装注意点：LD3188变送器主体（传感器、转换模块）直接投入水中，在水流速大的场合下可放安装支架。液位变送器信号线连接到中继箱。

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变送器接线：在防爆环境下应配有安全栅。

3、执行器：水液电磁阀ZCS型,如图：

产品用途：用于以水

流量、计量或排放循环等自动控制的二为式通断切换。

结构特点：（1）电磁先导式结构，其中DN6直动式结构。

（2）不锈钢阀塞密封，不锈钢过虑网清洁介质。

（3）DN200以上大口径类设有可控制主阀启闭时间快慢的针形调节机构，动作

可靠。

技术参数：工作压力（Mpa）；0.05－0.8

工作介质：水、低粘度无腐蚀性液体、轻油 常温 电源电压：ac220v

公称通径：15～300（mm） 消耗功率：ac:50VA

3．智能仪器：凌华PCI_9111,如图5：

或液体为介质，进行液位、浓度、

PCI-9111 PCI 100K Hz 低成本数据采集卡的详细资料： 1.高速多功能采集卡:低成本采集卡:凌华采集卡:A/D数据采集卡 2.PCI-9111DG

3.ADLINK PCI-9111 系列 PCI 100K Hz 低成本数据采集卡

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4.32位PCI总线，即插即用 5.12位/16位模拟量输入分辨率 6.16通道单端模拟量输入

7.卡上带有可存储1024个数据的FIFO 8.通道自动扫描功能选择 9.采样频率可达110K Hz 10.可编程增益1, 2, 4, 8, 16 11.双极性模拟量输入范围

12.三种触发模式：软件触发、可编程定时器触发与外部触发 13.一个12位DA转换器

14.16通道数字量输入与16通道数字量输出

15.4个扩展DIO通道，用于通过外部通道多路选择器选择通道 16.紧凑型DB-37连接器

17.用于信号调理的在板滤波器

附录１ 自控仪表规格表 水槽水工程名称 设计院 机电 设计项目 位控制系统 力控软件课程设计项目 自控设备编制 09自1班 37号何浩东 孟祥涛 图号 第1页 表校核 （表一） 审核 共1页 系统位号及名称 仪表位号 数量 名称 仪表及其附件 型号 LIC-201 E223 液位控制系统 LT-201 １ 普通型投入式液位变送器 LD3188 0~2mH2O 悬挂式 防爆本安型 精度0.2级 带现场指示表 零点迁移：±20%/FS LC-201 １ 凌华LV-201 １ 水液电磁阀 ZCS PCI_9111 PCI_9111 PID调节 11

规格 公称通径 15~300mm 工作压差 0.05～0.8Mpa 电磁先导式结构 阀体：不锈钢 水 操

介质及水 作重度 1000kg/m3 条温度℃ 25℃ 件 最流2000mm 大 量或液正 常 0m 1000 kg/m 3 60 水位>1.01时14 m3/h 报警 11 m/h 9m/h 50PL201B25B 33 位 最小 安装地点 E223 安装图号 K04-29K08-21 备注

一阶单回路控制系统接线图如图6所示：

图6一阶单回路控制系统接线图

实验连线图如图7所示：

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图7实验连线图

六、控制系统实施（组态）

(1)建立实时数据库，建立点run表示液位，hhd表示给定值， (2)建立实时趋势图；

(3)建立报警组态：run.pv>hhd.pv时报警。通过报警报表观察。 (4)建立历史报表。

水槽水位控制界面如图8所示： 13

图8水槽水位控制界面

动作脚本

初始值:

run.PV=0; hhd.PV=1;

flag=0; ;标志位 K1=0; ;按键与否

动作脚本函数:

IF run.PV<=0 THEN ; flag=0; ;标志位置0

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flag=flag+1; ;标志位置1

ENDIF

IF flag==1 THEN ;如果条件成立,表示按键按下 run.PV=run.PV+1; ;流量依次加一

ENDIF

IF run.PV>(hhd.PV+1) THEN ;当液位大于给定值时,报警 flag=flag+1; ;置标志位 ENDIF

IF flag==2 THEN

run.PV=run.PV-1; ;流量自减 ENDIF

IF run.PV<(hhd.PV-1) THEN flag=1; ENDIF

ELSE

run.PV=0; ;停止 END

七、体会：

通过这次课程设计，我收获颇多。设计过程要用到很多方面的知识，如工控组态，过程基础，仪表和装置，检测技术。这次课程设计基本上涵盖了这学期所学过的所有知识。学课本的时候感觉学得很空洞，很乏味。不知道它们用处何在。但是经过这次课程设计，基本上将这些课程又重新复习了一遍，感觉对以前不大理解的地方都理解的更深了。也知道自己所学的知识的用处。虽然用起来很不得心应手，但是还是蛮有成就感的。而且设计过程中要查很多资料，我从网上，书上查，知识面也开阔了一些。

我对该系统采用单回路控制，即只有一个反馈回路。采用PID调节，并考虑在扰动存在的情况在使得水槽中水位保持在给定值范围内。这样我对控制理论中学过的PID调节就有了更深的认识。因为在设计过程中必须依靠理论和实践相结合，不断的调整参数才能使得系统有良好的性能，满足设计要求。尤其时通过设备选型，我对控制器，传感器，变送器有了更深的了解。

通过本次课程设计我确实学到了很多在课堂上学不到的东西。

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八、参考文献：

监控组态软件及其应用 马国华著 清华大学出版社 过程控制 林锦国主编 东南大学出版社 工业自动化仪表与过程控制 施仁．刘文江编 电子工业出版社 过程控制系统工程设计 周庆海．翁维勤合编 化工出版社 自动化仪表选型手册 解胜利主编

中国国际广播出版社工原理课程设计 化工过程及设备设计

贾绍义．柴城敬主编 华南工学院化工教研组编 16

天津大学出版社 华南工学院出版社

八、参考文献：

监控组态软件及其应用 马国华著 清华大学出版社 过程控制 林锦国主编 东南大学出版社 工业自动化仪表与过程控制 施仁．刘文江编 电子工业出版社 过程控制系统工程设计 周庆海．翁维勤合编 化工出版社 自动化仪表选型手册 解胜利主编

中国国际广播出版社工原理课程设计 化工过程及设备设计

贾绍义．柴城敬主编 华南工学院化工教研组编 16

天津大学出版社 华南工学院出版社

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